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自由电子激光(FEL)装置中包含了大量的子系统,这些子系统之间的同步直接影响到FEL出光的稳定性和出光的品质,即使皮秒量级的抖动也会导致整个系统的不稳定,因此要保证各个子系统间的高精度同步(飞秒量级)对于FEL装置来说是非常重要也是非常必要的。新一代FEL装置的同步系统包括三个主要部分,即高稳定度参考信号的产生、参考信号的稳定传输与分布、客户端(激光器、微波低电平系统、束测系统、定时系统等)与参考信号的锁定和同步。在FEL装置的飞秒同步系统中,大量的环节需要使用待同步信号与参考信号的相位差作为反馈环路的核心控制信号,因此需要准确可靠地对相位差进行测量。而在基于电子学的同步系统中,通常都将GHz量级的待同步信号与参考信号下变频为中频信号后再做鉴相处理。本论文设计了一套基于FPGA(Field-ProgramableGateArray,现场可编程门阵列)的中频数字鉴相系统,能够长期、稳定、精确地对一路中频信号进行绝对相位鉴相,或者对两路中频信号进行相对相位鉴相,并在基于LabVIEW的上位机中对鉴相信号进行接收、存储和实时显示。
从功能上,鉴相系统可以分为三个部分:在FPGA上实现的中频数字鉴相器部分,其功能是对中频数字信号进行鉴相；利用SOPCBuilder在FPGA上实现的NiosⅡ软核部分,其功能是将鉴相值通过以太网发送出去；在LabVIEW上实现的上位机部分,其功能是通过以太网接收相位数据,并且对相位数据进行存储和实时显示。
在上海x射线FEL实验装置中,参考激光脉冲长度约为200fS,待同步RF信号的频率为2.856GHz和11.4GHZ,待同步激光器的重复频率为79.333MHz,要求鉴相系统的鉴相分辨率大大好于0.1°,鉴相精度好于0.1°,才能保证整个飞秒同步系统有效工作。
本文完成了上海X射线FEL实验装置飞秒同步系统中鉴相系统的设计,系统的鉴相精度为O.029°。利用该鉴相系统对3.71875MHz中频信号进行鉴相,实际鉴相结果为:绝对相位鉴相结果稳定在0.1°范围内(测量时长l0小时30分钟),均方根(RMS)为0.0136°；相对相位鉴相结果稳定在0.2°范围内(测量时长11小时40分钟),RMS值为0.0255°。实验结果证明该鉴相系统满足上海x射线FEL实验装置飞秒同步系统的要求,并且能够长期地稳定地工作。